Всі навколишні нас процеси відбуваються в результаті дії тієї чи іншої фізичної сили. З її проявом людина зустрічається всюди, починаючи з того, що йому доводиться прикладати силу, щоб встати вранці з ліжка, і закінчуючи рухами масивних космічних об’єктів. Дана стаття присвячена питанням, що таке сила у фізиці, і які її види існують.

Поняття про силу

Питання, що таке сила у фізиці, почнемо розглядати з її визначення. Під нею вважають величину, здатну змінювати кількість руху даного тіла. Математичне вираження для цього визначення виглядає так:

F = dp/dt

Тут dp – це зміна кількості руху (інакше його називають імпульсом), dt – проміжок часу, за який воно змінюється. Звідси видно, що F (сила) є вектором, тобто для її визначення необхідно знати, як модуль (абсолютне значення), так і напрямок її застосування.

Як відомо, імпульс вимірюється в кг*м/с. Це означає, що F обчислюється в кг*м/с2. Ця одиниця виміру отримала назву ньютона (Н) у СІ. Оскільки одиниця м/с2 – це міра вимірювання лінійного прискорення в класичній механіці, то з визначення сили автоматично слід 2-й закон Ісаака Ньютона:

F = m*a

У такий формулою a = dv/dt – прискорення.

Ця формула сили фізики показує, що в ньютонівської механіці величина F характеризується прискоренням, яке вона може повідомити тіла з масою m.

Класифікація видів сил

Тема сили у фізиці є досить широкою, і при детальному розгляді вона зачіпає фундаментальні поняття про будову матерії і про процеси, що відбуваються у Всесвіті. У даній статті ми не будемо розглядати поняття релятивістської сили (процеси, що відбуваються при близькосвітлових швидкостей) і сили в квантовій механіці, а обмежимося лише її описом для макроскопічних об’єктів, рух яких визначається законами класичної механіки.

Отже, виходячи з щоденного спостереження за процесами в побуті і природі, можна виділити наступні види сили:

• тяжіння (тяжкості);
• вплив опори;
• тертя;
• натягу;
• пружності;
• віддачі.

Розкриваючи питання, що таке сила у фізиці, розглянемо кожен з названих видів детальніше.

Всесвітнє тяжіння Ньютона

У фізиці дію сили тяжіння виявляється в тяжінні двох об’єктів, що мають кінцевою масою. Сила тяжіння є досить слабкою, якщо її порівнювати з електричними або ядерними взаємодіями. Вона проявляється в космічних масштабах (рух планет, зірок, галактик).

У XVII столітті Ісаак Ньютон, вивчаючи рух планет навколо Сонця, прийшов до формулювання закону, який носить назву всесвітнього тяжіння. У фізиці формула сили гравітації записується так:

F = G*m1*m2/r2

Формула дозволяє розрахувати, з якою силою два тіла масами m1*m2, що знаходяться на відстані r один від одного, притягаються. Величина G = 6,674*10-11 Н*м2/кг2 – константа.

Експериментальне визначення значення G було виконано лише наприкінці XVIII століття Генрі Кавендішем, який використовував у своєму досвіді крутильні ваги. Цей експеримент дозволив визначити масу нашої планети.

У формулі вище, якщо одним із тел буде наша Земля, тоді сила тяжіння для будь-якого предмета, що знаходиться поблизу земної поверхні, буде дорівнює:

F = G*M *m /R2 = m*g,

де g = G*M/R2

Тут M – маса планети, R – її радіус (відстань між тілом і центром Землі приблизно дорівнює радіусу останньої). Останній вираз є математичним представленням величини, яку прийнято називати вагою тіла, тобто:

P = m*g

Вираз показує, що у фізиці сила тяжіння еквівалентна вазі тіла. Величину P вимірюють, знаючи силу протидії опори, на якій знаходиться дане тіло.

Реакція опорної поверхні

Чому людина, будинки та інші об’єкти не провалюється під землю? Чому книга, покладена на стіл, не падає? Ці та інші подібні факти пояснюються існуванням сили реакції опори, яку часто позначають буквою N. Вже з назви зрозуміло, що вона є характеристикою впливу на тіло поверхні, на якій воно знаходиться.

Виходячи із зазначеного факту рівноваги, можна записати вираз:

N = -P = -m*g

(для горизонтального положення тіла)

Тобто сила опори дорівнює по модулю ваги тіла, якщо воно знаходиться на горизонтальній поверхні, і протилежна йому за напрямком. Якщо тіло розташоване на похилій площині, то розрахунок N здійснюється вже з використанням тригонометричної функції (sin(x) або cos(x)), оскільки P завжди спрямований до центру Землі (вниз), а N спрямована перпендикулярно площині поверхні (вгору).

Розуміння причини виникнення сили N виходить за рамки класичної механіки. У двох словах скажемо, що вона є прямим наслідком так званого принципу заборони Паулі. Згідно нього два електрони не можуть перебувати в одному стані. Цей факт призводить до того, що якщо зблизити два атома, то, незважаючи на їх 99% порожнечу, електронні оболонки не зможуть проникнути один в одного, і з’являється сильне відштовхування між ними.

Сила тертя

У фізиці цей вид силового впливу є не менш частим, ніж розглянуті вище. Виникає тертя завжди, коли об’єкт починає рухатися. У загальному випадку в фізиці сили тертя прийнято відносити до одного з 3-х типів:

• спокою;
• ковзання;
• кочення.

Перші два типи описуються наступним виразом:

F = μ*N

Тут μ – коефіцієнт тертя, значення якого залежить, як від типу сили (спокою або тертя), так і від матеріалів тертьових поверхонь.

Тертя кочення, яскравим прикладом якого є рухоме колесо, розраховується за формулою:

F = f*N/R

Тут R – радіус колеса, f – коефіцієнт, який відрізняється від μ не тільки значенням, але і розмірністю (μ безрозмірний, f вимірюється в одиницях довжини).

Будь-який тип сили тертя завжди спрямований проти руху, прямо пропорційний силі N і не залежить від площі дотику поверхонь.

Причиною появи тертя між двома поверхнями є наявність на них мікронеоднорідності, що призводять до їх “зацеплению” подібно маленьким крючочкам. Це просте пояснення є досить хорошою апроксимацією реально відбувається процесу, який набагато більш складний, і для глибокого розуміння передбачає розгляд взаємодій в атомних масштабах.

Наведені формули відносяться до тертя твердих тел. У разі ж текучих речовин (рідини і гази) тертя також є, тільки воно вже виявляється пропорційним швидкості руху об’єкта (квадрату швидкості при швидких переміщеннях).

Сила натягу

Що таке сила у фізиці, коли розглядають переміщення вантажів з використанням мотузок, канатів та тросів? Вона називається силою натягу. Її прийнято позначати буквою T (див. рис. вище).

Коли розглядають задачі з фізики на силу натягу, то в них часто виникає такий простий механізм, як блок. Він дозволяє перенаправляти діючу силу T. Спеціальні конструкції з блоків дають виграш в прикладеній для підйому вантажу силі.

Явище пружності

Якщо деформації твердого тіла невеликі (до 1%), то після прикладення зовнішнього зусилля вони повністю зникають. Під час цього процесу деформація здійснює роботу, створюючи так звану силу пружності. Для пружини ця величина описується законом Гука. Відповідна формула має вигляд:

F = -k*x

Тут x – це величина зміщення пружини із стану рівноваги (абсолютна деформація), k – коефіцієнт. Знак мінус у виразі показує, що сила пружності спрямована проти будь-якої деформації (розтягування і стиснення), тобто вона прагне відновити рівноважний стан.

Фізична причина появи сил пружності і натягу одна і та ж, вона полягає у виникненні тяжіння або відштовхування між атомами речовини, коли змінюється рівноважний відстань між ними.

Сила віддачі

Всі знають, що при стрільбі з будь-якої вогнепальної зброї виникає так звана віддача. Вона проявляється в тому, що приклад рушниці вдаряє по плечу стрілка, а танк або гармата відкочуються назад, коли вилітає снаряд з дула. Все це прояви сили віддачі. Формула для неї аналогічна тій, яка була дана на початку статті при визначенні поняття “сила”.

Як можна здогадатися, причина появи сил віддачі полягає у прояві закону збереження імпульсу системи. Так, що вилетіла з дула рушниці куля забирає рівно такий імпульс, яким приклад б’є по плечу стрілка, у підсумку повна кількість руху залишається постійним (рівним нулю для відносно спочиваючої системи).